Bevezetés
A cirkónium-dioxid-kerámiákat kiváló mechanikai szilárdságuk, biokompatibilitásuk és esztétikai megjelenésük miatt széles körben alkalmazzák a fogászati alkalmazásokban. Az optimális szinterelési feltételek elérése kritikus fontosságú annak biztosításához, hogy a végtermék megfeleljen a fogászati restaurációk követelményeinek.
A szinterelési paraméterek, mint például a fűtési sebesség és a tartási idő, jelentősen befolyásolják a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés kinetikáját, és hatással vannak a sűrűsödésre, a szemcsenövekedésre és az általános mikroszerkezetre. Különösen a sűrűsödési folyamatok, amelyeket a porozitás csökkenése jellemez a szemcsenövekedéssel együtt, térfogatcsökkenéshez vezetnek; ez a térfogatcsökkenés később dilatométerrel mérhető.
Tökéletes kombináció: Kinetikai analízis és dilatometria
A kinetikai analízis és a dilatometria kombinációja részletes képet ad a zsugorodási viselkedésről, és lehetővé teszi az anyag reakcióinak pontos előrejelzését változó hőprofilok esetén [1].
E tanulmány célja a cirkónium-dioxid-kerámiák szinterelési folyamatának optimalizálása a dilatometriás mérések és a kinetikai elemzés kombinálásával. Állandó fűtési sebességgel végzett kísérletsorozat elvégzésével zsugorodási görbéket kaptunk, amelyeket elemeztünk a kulcsfontosságú kinetikai paraméterek kinyerése érdekében. Ezeket a paramétereket ezután az állandó szinterelési sebességet fenntartó hőmérsékleti programok szimulációján keresztül előrejelzésre használták.
Mérési feltételek az optimális kötésmentesítéshezFolyamat
A kerámiafeldolgozás optimalizálása hatékonyan megvalósítható kétlépcsős megközelítéssel, amely magában foglalja az ellenőrzött csiszolást, majd a szinterelést. A mi esetünkben a kapott anyag már csiszolatlan volt, amit az 1. ábra is megerősít, a TGA-val megfigyelt 0,41%-os tömegveszteség small 700°C-ra történő hevítéssel. Ezért a hangsúly a szinterelési szakasz optimalizálásán van. Azokban az esetekben azonban, ahol a kötőanyag-tartalom és így a tömegveszteség is nagyobb, a hibák megelőzése érdekében a csiszolási lépés gondos optimalizálása is elengedhetetlen lenne. Ez hatékonyan megvalósítható a termogravimetriás analízis (TGA) és a Kinetics Neo szoftver kombinálásával a csiszolási profil szakasz optimalizálása érdekében.
A dilatométeres méréseket a NETZSCH segítségével végeztük DIL 402 Expedis® Supreme. A dilatométert Al2O3 mintatartóval látták el, amelyet egy Al2O3 védőcsővel ellátott grafitkemencébe helyeztek. A méréseket levegőben végeztük 50 ml/perc áramlási sebességgel. A 4, 8 és 15 K/perc fűtési sebességet egy 10 mm hosszú és 4 mm átmérőjű cirkónium-dioxid-kerámia hengeres mintán alkalmaztuk.
Mérési eredmények és megbeszélés
A mért TGA-görbét az 1. ábra mutatja. Kb. 70 perc alatt kb. 0,41 %-os teljes tömegveszteség figyelhető meg, ami a nedvesség PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásának és a kötőanyag Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának köszönhető.
A 2. ábra a cirkónium-dioxidból készült zöld test hosszváltozását mutatja, amelyet a NETZSCH dilatométerrel mértünk. A lineáris hő tágulás 900 °C-ig látható, amelyet szinterezési zsugorodás követ.
A méréseket 4, 8 és 15 K/perc fűtési sebességgel végeztük, hogy értékeljük a hőreakciót változó körülmények között.
Kinetikai elemzés a Kinetics Neo szoftverrel
Kinetics Neo szoftver segítségével elemzik a dilatometriából származó kísérleti adatokat, amelyek különböző fűtési sebességek mellett mérik a zsugorodást (szinterezést), majd matematikailag modellezik a reakciókinetikát és szimulálják, hogy a különböző hőmérsékleti profilok hogyan befolyásolják a szinterezési folyamatot, lehetővé téve a tüzelési program optimalizálását.
A 3. ábra a 640°C és 1550°C között 4, 8 és 15 K/perc fűtési sebesség mellett bekövetkező hosszváltozásokat szemlélteti. Bemutatjuk mind a mért DIL (dilatometriás) görbéket (szimbólumok), amelyekből az alapvonal-korrekció céljából levonták a lineáris hőtágulást, mind pedig az Avrami-Erofeev-egyenleten alapuló egylépéses nukleációs kinetikai modellel kapott előrejelzéseket a NETZSCH Kinetics Neo szoftver segítségével. Az eredmények a minta hosszának csökkenését mutatják, a végső zsugorodás 18,9 % a termikus hossztágulás eltávolítása után.
A megfelelő kinetikai paramétereket az 1. táblázat foglalja össze. A modell kiváló egyezést mutat a kísérleti adatokkal, a meghatározási együttható 0,9999.
1. táblázat: A cirkónium-dioxid-zöldtest kinetikai paraméterei DIL-mérések alapján
| Reakciós lépés | A → B |
|---|---|
| Reakció típusa | An* |
| Aktiválási energia [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Méret n | 0,4 |
| Hozzájárulás | 1 |
| Határozottsági együttható (R²) | 0.9999 |
*An: n-dimenziós magképződés Avrami-Erofejev szerint
Az α konverziós fokot, amely a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés fokaként értelmezhető, a Kinetics Neo szoftver számítja ki a dilatométeres mérésekből, ahol α 0 és 1 között mozog (1. egyenlet). A termoanalízisben az átalakulás operatív meghatározása a T hőmérsékleten (vagy t időpontban) megfigyelt termoanalitikus hatás és a teljes termoanalitikus hatás hányadosa, így a termoanalitikus átalakulás definíciója a következő:
ahol ΔL(T) a DIL részleges hosszváltozását jelenti T hőmérsékletig, ΔL(total) pedig a teljes hosszváltozás. Ez feltételezi, hogy minden szilárd anyag ugyanúgy reagál, és a szinterelési sebesség csak a hőmérséklettől függ.
Feltételezve, hogy a szilárd vagy különböző kondenzált fázisokban lévő összes komponens azonos reakcióképességet mutat a termikus analízis kinetikáján (2), az egylépéses reakció kinetikáját a következő sebességegyenlet ábrázolja:
ahol a (2. egyenletben α a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés mértéke, t az idő, dα/dt az átalakulási sebesség, T a reakció hőmérséklete, K(T) a hőmérsékletfüggő reakciósebesség-állandó, f(α) pedig egy átalakulási függvény, amely az alkalmazott reakciótípust mutatja és a mechanizmusra támaszkodik.
Folyamatoptimalizálás a Kinetics Neo szoftver segítségével
A 4. ábrán látható dilatométeres mérés egy cirkónium-dioxidból készült zöld test szinterelési viselkedését mutatja be 8 K/perc fűtési sebesség mellett. Ez a mérés a próbatest méretváltozásait mutatja be ezen eredeti, nem optimalizált hőmérsékleti profil mellett.
Az 5. ábrán látható dilatométeres mérés egy cirkónium-dioxid-zöldtest szinterelési viselkedését mutatja optimális hőmérsékleti profil mellett. Ez a mérés megmutatja a szinterelési folyamat során bekövetkező állandó méretváltozásokat. A hőmérsékleti profil optimalizálásával sikeresen csökkentettük a teljes szinterelési időt 183 percről 72 percre, miközben a szinterelési sebességet állandóan 3,7%/perc szinten tartottuk.
A végső hosszváltozás megfelel a 2. ábrán látható eredményeknek, és a teljes szinterelést jelzi.
Termica Neo Software - Szinterezés szimulációja valós körülmények feltételezése mellett
A Termica Neo szoftver a kerámiák szinterelési folyamatának szimulálására szolgál valós méretű geometriával, lehetővé téve a hőmérséklet-eloszlás és a zsugorodás pontos előrejelzését az égetés során. A kerámiatesten belüli hőmérséklet-változások axiális és radiális elemzése révén a szimuláció megkönnyíti az optimalizálást, segít megelőzni az olyan problémákat, mint a helyi túlmelegedés vagy alulfűtés, amelyek veszélyeztethetik a végtermék minőségét.
A Termica Neo szoftver segítségével megvalósítható az anyag belsejében történő SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés szimulációja, beleértve a hőmérséklet-gradienseket, az átalakulást és a szinterelési sebességet a szinterezett térfogat minden egyes pontján. Itt az optimalizált hőmérsékleti profil van kiválasztva a környező hőmérsékletnek. A 6. ábra (A) a hőmérséklet eloszlását mutatja t = 6 percnél a kerámiatestben. A szinterelési sebesség az idő = 41 percnél (B) a felszínen a koordinátáktól függően magasabb, mint a középpontban. (C) a 72 perces optimalizált égetési ciklus után a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés mértékét mutatja be, ahol a piros szín és a csökkent lineáris méret a teljes szinterezést jelenti.
Következtetés
A NETZSCH DIL, a Kinetics Neo és a Termica Neo szoftver együttes használata nagy hatékonyságot mutatott a kinetikai paraméterek meghatározásában és a kerámia viselkedésének pontos előrejelzésében változó körülmények között. A szimulációval előre jelzett, állandó zsugorodás biztosítására kiszámított hőmérsékleti profilok a szinterelési folyamat optimalizálásához vezetnek. E hőmérsékleti profilok finomításával a teljes szinterelési idő figyelemre méltó csökkentését értük el 183 percről 72 percre, ami a feldolgozási időt körülbelül 60%-kal csökkentette. Ez a megközelítés minden kerámiaanyagra alkalmazható, beleértve a szinterezési és a csiszolási fázisokat is.